摘要
 

 

本文设计的充电器主要是面向手机锂电池进行充电的智能充电器。所谓智能充电器是指能根据用户的需要自主选择充电方式，并且在充电过程中能对被充电电池进行保护从而防止过电压、电流和温度过高的一种智能充电器。在设计上我们选择了简洁、高效的硬件，设计稳定可靠的软件，详细介绍了系统的硬件组成，包括单片机电路、充电控制电路、电压转换及光耦隔离电路，并对本充电器的核心器件―MAX1898充电芯片进行了较详细的介绍。阐述了系统的软件设计，以C语言为开发工具，进行了详细设计和编码。总体目标是实现系统的可靠性、稳定性、安全性和经济性。
　　述

1.1 单片机技术的特点及应用

随着大规模和超大规模集成电路技术的发展和计算机微型化的需要，将微型计算机的基本部件：中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、定时器/计数器等多种资源集成在一个半导体芯片上，使得一块集成电力芯片就能构成一个完整的微型计算机。这种集成电路芯片被称为单片微型计算机（Single Chip Microcomuper），简称单片机。单片机在结构设计上，他的软、硬件系统及I/O接口控制能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的功能。从其组成、逻辑功能上来看，单片机具备了微型计算机系统的基本部件。

目前，8位高档机和16位机在单片机应用中占主导地位，产品众多，已有几十个系列、几百个型号，除了通用单片机以外，集成更多资源，如A/D转换器、D/A转换器、“看门狗”（Watchdog）电路、LCD控制器、网路控制模块等，将单片机嵌入式系统和Intenet连接起来已是一种趋势。还有专用单片机产品，如专门用于数据处理（图像和语言处理等）的单片机。总之，单片机正在向微型化、低功耗、高速、集成、高集成度、多资源、网络化、专用型方向发展。

1.1.1单片机的特点：

单片机在一块芯片上集成了一台微型计算机所需要的基本部件。它在硬件结构、指令功能等方面均有独到之处，其特点如下：

性价比高。单片机性能稳定，功能强大，价格便宜。

体积小，集成度高、可靠性高。单片机将一台计算机所需要的基本部件集成在一块芯片上，减少了各部件间的连线，能大大地提高运行速度和抗干扰能力。

控制功能强。为了，满足工业控制的需要，单片机有很强的位处理功能。在其他的逻辑控制功能等方面，也都优于一般的8位微处理。

单片机系统配置灵活、方便。由于单片机带有一定数量的接口电路，容易构成各种规模的应用系统。

单片机类型多。单从ROM类型来说，单片机的只读存储器有ROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory等多种，可以根据实际需要进行选择。

1.1.2单片机的应用：

由于单片机具有如上所述的特点，因此在工业生产、日常生活等诸多领域，得到了日益广泛的应用，单片机的主要应用领域有：工业控制，如在工业生产过程中参数（如温度、压力、流量、液位等）的控制，数据处理功能于一体，如转速测试仪、噪声测试仪、振动测试仪及电子秤等。计算机网络与通信，单片机上有并行I/O接口角儿串联I/0接口，可用于通信接口，如单片机控制的自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、遥测遥控系统等。家用电器，由于单片机体积小，控制能力强，且片内与定时器/计数器，所以广泛应用于家用设备中。如空调、洗衣机、微波炉及防盗报警等。

本设计是单片机在智能充电方面的应用。

1.2 单片机实现充电器功能的意义

由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充，一般充电到90%就停止大电流快充，而采用小电流涓流补充充电。

手机电池的使用寿命和单次使用时间与充电过程密切相关。锂电池是手机最为常用的一种电池，它具有较高的能量重量比、能量体积比，具有记忆效应，可重复充电多次，使用寿命较长，价格也越来越低。锂电池对于充电器的要求比较苛刻，需要保护电路。为了有效利用电池容量，需将锂电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。

一部分的充电器不但能在很短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降（电池活性衰退）现象。设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方式。专用的充电芯片具有业界公认较好的-△v检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关段电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命。

51系列单片机也是当前使用最为广泛的8位单片机系列，其丰富的开发资源和较低的开发成本，使51系列单片机现在以至将来都仍会有强大的生命力。在众多的51系列单片机中，AT89系列单片机在我国得到了极其广泛的应用，AT89系列单片机是美国Atmel公司的8位机产品。他的特点是片内含有Flash Memory，Flash Memory是一种电可摩除和电写入的闪速存储器（记为FPEPROM)，在系列的开发过程中可以很容易地进行程序修改，使开发调试更为方便。

随着社会的不断发展，人们使用各种家电设备、仪表以及工业生产中的数据采集与控制设备也在逐步走向智能化，所以充电器有它的巨大发展空间，同时电子产品的不断更新，51单片机在实现手机电池充电器方面的应用就更有意义。

为了完成智能充电器的设计，我将进行以下工作：

1.分析充电的实现和智能化的实现方法，选择合适的充电电池芯片。

2.进行硬件电路的设计，绘制充电电路原理图。

3.进行软件设计，设计程序代码。

4.调试硬件和软件电路，验证整个设计。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二章充电技术

2.1 锂离子电池的特点

锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的碳。常见的正极材料主要成分为LiCo02，充电时，加在电池两级的电势迫使正极化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合。锂离子的移动产生了电流。

化学反应原理虽然很简单，然而在实际的工业生产中，需要考虑的实际问题要多得多：正极的材料需要添加剂来保持多次充放的活性，负极的材料需要在分子结构级去设计以容纳更多的锂离子；填充在正负级之间的电解液，除了保持稳定，还需要具有良好导电性，减小电池内阻。

虽然锂离子电池很少有镍镉电池的记忆效应，记忆效应的原理是结晶化，在锂电池中几乎不会产生这种反应。但是，锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降，其原因是复杂多样的。主要是正负极材料本身的变化，从分子层里来看，正负极上容纳锂离子的空穴结构会逐渐塌陷，堵塞；从化学角度来看，是正负极材料活性钝化，出现副反应生成稳定的其他化合物。物理上还会出现正极材料逐渐剥落等情况，总之最终降低了电池中可以自由在充放电过程中移动的锂离子数目。

过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面看，可以直观的理解，过度放电将导致负极碳过度释放出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。这也是锂离子电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因。

锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值。这些数值在使用中会逐渐变化。

充电控制芯片主要控制电池的充电过程。锂离子电池的充电过程分为两个阶段，恒流快充阶段（电池指示灯呈黄色时）和恒压电流递减阶段（电池指示灯呈绿色闪烁。恒流快充阶段，电池电压逐步升高到电池的标准电压，随后在控制芯片下转入恒压阶段，电压不再升高以确保不会过充，电流则随着电池电量的上升逐步减弱到0，而最终完成充电。

电量统计芯片通过记录放电曲线（电压、电流、时间）可以抽样计算出电池的电量。而锂离子电池在多次使用后，放电曲线是会改变的，如果芯片一直没有机会再次读出完整的一个放电曲线，其计算出来的电量也就是不准确的。所以我们需要深充放来校准电池的芯片。

而锂离子电池具有较高的能量重量比和能量体积比、无记忆效应、可重复充电多次、使用寿命较长、价格也越来越低、锂离子电池的这些特点促进了便携式产品向更小更轻的方向发展，使得选用单节锂离子电池供电的产品也越来越多。

锂离子电池的不足之处在于对充电器要求比较苛刻，需要保护电路。锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。由此可见实现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的瓶颈。针对这些应用特点，MAX1898，这款充电器具有很高的充电控制特性和较低的成本，性能价格比较高，是一款理想的单节锂离子电池充电器。

2.2 智能充电器

在人们日常工作和生活中，充电器的使用越来越广泛。从随身听到数码相机，从手机到笔记本电脑，几乎所有用到电池的电器设备都需要用到充电器。充电器为人们的外出旅行和出差办公提供了极大的方便。

单片机在电池充电器领域也有着广泛的应用，利用它的处理控制能力可以实现充电器的智能化。充电器种类繁多，但从严格意义上讲，只有单片机参与处理和控制的充电器才能称为智能充电器。

随着手机在世界范围内的普及使用，手机电池充电器的使用也越来越广泛。

本次设计将通过一个典型实例介绍5 1单片机在实现手机电池充电器方面的应用。设计所实现的充电器是一种智能充电器，它在单片机的控制下，具有预充、充电保护、自动断电和充电完成报警提示功能。

 

 

2.3 设计的功能模块

・单片机模块：实现充电器的智能化控制，比如自动断电、充电完成报警提示等。

    ・充电过程控制模块：采用专用的电池充电芯片实现对充电过程的控制。

    ・充电电压提供模块：采用电压转换芯片将外部+1 2V电压转换为需要的+5V电压。该电压在送给充电控制模块之前还需经过一个光耦模块。

    ・C51程序：单片机控制电池充电芯片实现充电过程的自动化，并根据充电的状态给出有关的输出指示。

 

 

 

第三章设计思路分析

充电的实现，它包括两部分：一是充电过程的控制；二是需要提供基本的充电电压。

3.1智能化的实现

在充电器电路中引入单片机的控制。它为什么需要实现充电器的智能化呢？

充电器实现的方式不同会导致充电效果的不同。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充，一般充电到90％就停止大电流快充，而采用小电流涓流补充充电。

手机电池的使用寿命和单次使用时间与充电过程密切相关。锂电池是手机最为常用的一种电池，它具有较高的能量重量比、能量体积比，具有记忆效应，可重复充电多次，使用寿命较长，价格也越来越低。锂电池对于充电器的要求比较苛刻，需要保护电路。为了有效利用电池容量，需将锂电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度。另外，对于电压过低的电池需要进行预充，充电器最好带有热保护和时间保护，为电池提供附加保护。

一部好的充电器不但能在短时间内将电量充足，而且还可以对电池起到一定的维护作用，修复由于使用不当造成的记忆效应，即容量下降(电池活性衰退)现象。设计比较科学的充电器往往采用专用充电控制芯片配合单片机控制的方法。专用的充电芯片具备业界公认较好的-△v检测，可以检测出电池充电饱和时发出的电压变化信号，比较精确地结束充电工作，通过单片机对这些芯片的控制，可以实现充电过程的智能化，例如，在充电后增加及时关断电源、蜂鸣报警和液晶显示等功能。充电器的智能化可以缩短充电的时间，同时能够维护电池，延长电池使用寿命。

 

 

 

3.2电池充电芯片的选择

3.2.1如何选择电池充电芯片

目前市场上存在大量的电池充电芯片，它们可直接用于进行充电器的设计。在选择具体的电池充电芯片时，需要参考以下标准。

・电池类型：不同的电池(锂电池、镍氢电池、镍镉电池等)需选择不同的充电芯片。

・电池数目：可充电池的数目。

・电流值：充电电流的大小决定了充电时间。

・充电方式：是快充、慢充还是可控充电过程。

本设计要实现的是手机的单节锂离子电池充电器，要求充电快速且具有优良的电池保护能力，据此选择Maxim公司的MAXl898作为电池充电芯片。

3.2.2芯片MAX1898的特点

MAXl898配合外部PNP或PMOS晶体管可以组成完整的单节锂电池充电器。

MAXl898提供精确的恒流／恒压充电，电池电压调节精度为±0.75％，提高了电池性能并延长了电池使用寿命。充电电流可由用户设定，采用内部检流，无须外部检流电阻。MAXl898提供了充电状态的输出指示、输入电源是否与充电器连接的输出指示和充电电流指示。MAXl898还具有其他一些功能，包括输入关断控制、可选的充电周期重启(无须重新上电)、可选的充电终止安全定时器和过放电电池的低电流预充。

MAXl898的关键特性如下。

・简单、安全的线性充电方式。

・使用低成本的PNP或PMOS调整元件。

・输入电压：4.5～12V。

・内置检流电阻。

・±0.75％电压精度。

・可编程充电电流。

・输入电源自动检测。

・LED充电状态指示。

・可编程安全定时器。

・检流监视输出。

・可选／可调节自动重启。

・小尺寸uMAX封装。

3.2.3 MAXl 898的充电工作原理

充电芯片MAXl898的内部电路包括输入电流调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。输入电流调节器用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流与充电电流。当检测到输入电流大于设定的门限电流时，通过降低充电电流从而控制输入电流。因为系统工作时电源电流的变化范围较大，如果充电器没有输入电流检测功能，则输入电源必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和，这将使电源的成本增高、体积增大，而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求，同时也简化了输入电源的设计。 MAXl898外接限流型充电电源和P沟道场效应管，可以对单节锂电池进行安全有效的快充，其最大特点是：在不使用电感的情况下，仍能做到很低的功率耗散，可以实现预充电，具有过压保护和温度保护功能，最长充电时问的限制可为锂电池提供二次保护。MAX1898的浮动方式能够使电池容量充至最大。

当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电过程；充电结束的条件是平均的脉冲充电电流达到快充电流的1％，或时间超出片上预置的充电时间。MAXl898能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后打开外接的P型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P型场效应管打开的时问会越来越短。充电结束时，指示    图1 MAX1898的典型充电电路

灯将会按12%的周期闪烁，MAX1898的典型充电电路如右图1所示电路具体说明如下。                 

(1)输入电压范围为4.5～12v。锂电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入需要采用恒流恒压源，一般可采用直流电源外加变压器。

(2)通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。

(3)通过外接的电容CcT来设置充电时间tCHG。这里的充电时间指的是快充时的最大充电时间，它和定时电容CcT的关系如下式所示。

CcT=34.33×tCHG

式中，tCHG的单位为小时，CcT的单位为nF。

大多数情况下，快充时最大充电时问不超过3小时，因此常取CcT为100nF。

(4)在限制电流的模式下，通过外接的电阻RSET来设置最大充电电流IFSTCHG，关系如下式所示：1fstchg=1400/Rset式中，RSEI-的单位为Q，IFsTCHG的单位为A。

当充电电源和电池在正常的工作温度范围内时，插入电池将启动一次充电过程。平均的脉冲充电电流低于设置的快充电流的20％，或者充电时间超出片上预置的最大充电时问时，充电周期结束。MAXl898能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减少电池的漏电。启动快充后，打开外接的P型场效应管，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，P型场效应管打开的时JI间会越来越短。充电结束时，LED指示灯将会呈现周期性的闪烁，具体的闪烁含义如表1所示。

表1 MAX1898典型充电电路的LED指示灯状态说明  

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充电状态	LED指示灯
电池或充电器没有安装	灭
预充或快充	亮
充电结束